به گزارش مجله ایرانیان اکونومیست. در سطح جهان انرژی هسته ای تقریباً 10 درصد از تولید برق را تشکیل می دهد و در برخی کشورها مانند فرانسه این رقم نزدیک به 70 درصد است.

شرکت‌های بزرگ فناوری مانند گوگل نیز به انرژی هسته‌ای روی می‌آورند تا نیازهای انبوه مراکز داده خود را تامین کنند.

به گفته متیو هال، استاد مؤسسه علوم ریاضی و دانشکده محاسبات در دانشگاه ملی استرالیا، منبع انرژی هسته ای انرژی اتصال اتم است. انرژی ذخیره شده در یک اتم می تواند به دو روش اصلی آزاد شود، از جمله “شکافت” یا “همجوشی”.

شکافت شامل تقسیم اتم‌های بزرگ و سنگین به اتم‌های کوچک‌تر و سبک‌تر است، در حالی که همجوشی شامل ذوب اتم‌های کوچک برای تشکیل اتم‌های بزرگ‌تر است.

هر دو فرآیند انرژی زیادی آزاد می کنند. برای مثال، شکافت هسته ای U235، ایزوتوپ اورانیوم که معمولاً به عنوان سوخت در اکثر نیروگاه ها استفاده می شود، بیش از 6 میلیون برابر بیشتر از واکنش شیمیایی خالص ترین زغال سنگ، انرژی خالص تولید می کند. این بدان معنی است که آنها فرآیندهای عالی برای تولید برق هستند.

شکافت چیست؟

“شکافت” فرآیندی است که توسط تمام نیروگاه های هسته ای عملیاتی انجام می شود و زمانی اتفاق می افتد که یک ذره کوچک زیر اتمی به نام نوترون به اتم اورانیوم برخورد کرده و آن را به قطعات تقسیم کند.

این باعث آزاد شدن نوترون‌های بیشتری می‌شود که همچنان با اتم‌های دیگر برخورد می‌کنند و باعث واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای می‌شوند که به نوبه خود مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند.

برای تبدیل این انرژی به الکتریسیته، یک مبدل حرارتی تعبیه شده است که آب را به بخار تبدیل کرده و توربین را برای تولید برق به حرکت در می آورد.

واکنش شکافت را می توان با سرکوب عرضه نوترون کنترل کرد. این امر با معرفی “میله های کنترل” که نوترون ها را جذب می کنند ممکن شد.

از لحاظ تاریخی، حوادث هسته‌ای مانند چرنوبیل زمانی رخ می‌دهد که میله‌های کنترل درگیر نمی‌شوند و منبع نوترون را خاموش می‌کنند یا مایع خنک‌کننده به گردش در نمی‌آید.

طرح‌های به اصطلاح «نسل سوم» با ترکیب ویژگی‌های ایمنی غیرفعال یا ذاتی که برای جلوگیری از تصادف در صورت نقص نیازی به کنترل فعال یا مداخله انسانی ندارند، ایمنی را افزایش داده‌اند. این خواص می تواند به اختلاف فشار، گرانش، همرفت طبیعی یا پاسخ طبیعی مواد به دماهای بالا بستگی داشته باشد.

اولین راکتورهای نسل سوم، راکتورهای پیشرفته آب جوش کاشیوازاکی 6 و 7 در ژاپن بودند.

یک چالش حل نشده برای “شکافت” این است که محصولات جانبی این واکنش برای مدت طولانی (در حد هزاران سال) رادیواکتیو باقی می مانند. در صورت بازفرآوری، منبع سوخت و ضایعات آن نیز می توانند برای ساخت سلاح های هسته ای مورد استفاده قرار گیرند.

انرژی شکافت یک فناوری اثبات شده است. این فناوری را می توان از مقیاس بزرگ (بزرگترین نیروگاه هسته ای 7.97 گیگاواتی کاشیوازاکی-کاریوا ژاپن) تا راکتورهای کوچک و متوسط ​​که حدود 150 مگاوات برق تولید می کنند، روی کشتی هسته ای یا زیردریایی استفاده کرد.

اینها راکتورهایی هستند که 8 زیردریایی هسته ای استرالیا را که بخشی از مشارکت امنیتی سه جانبه با بریتانیا و ایالات متحده هستند، تامین می کنند.

فیوژن چیست؟

“فوژن” فرآیندی است که خورشید و ستارگان را نیرو می دهد. این فرآیند برعکس «شکافت» است و زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌ها با هم ترکیب شوند.

ساده ترین واکنش همجوشی که می توان در آزمایشگاه شروع کرد، همجوشی ایزوتوپ های هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم است. این واکنش چهار برابر بیشتر از شکافت U235 انرژی تولید می کند.

یون‌های دوتریوم به‌طور باورنکردنی در زمین و کیهان فراوان هستند. تریتیوم، یک عنصر رادیواکتیو، در زمین بسیار نادر است و نیمه عمر آن 12 سال است.

جهان 13.8 میلیارد سال سن دارد و تنها ایزوتوپ‌های هسته‌های سبک (هیدروژن، هلیوم، لیتیوم) که در طبیعت وجود دارند، آن‌هایی هستند که در مقیاس‌های زمانی پایدار هستند.

در یک نیروگاه همجوشی، تریتیوم با استفاده از یک “پتوی لیتیومی”، یک دیوار جامد از لیتیوم تولید می شود که در آن نوترون های همجوشی کند می شوند و در نهایت برای تشکیل تریتیوم واکنش نشان می دهند.

با این حال، در حال حاضر ایجاد یک واکنش ترکیبی در خارج از آزمایشگاه برای دانشمندان بسیار دشوار است. دلیل آن این است که آنها برای جمع شدن به شرایط بسیار گرم نیاز دارند و شرایط ایده آل این است که دمای آنها به 150 میلیون درجه سانتیگراد برسد.

در این دماها، یون‌های سوخت در حالت پلاسما قرار دارند، جایی که الکترون‌ها و یون‌های هسته‌ای از هم جدا می‌شوند و محصول جانبی این فرآیند رادیواکتیو نیست، بلکه هلیوم است، یک گاز نجیب یا بی‌اثر.

مسیر تکنولوژیکی پیشرو برای اثبات همجوشی پایدار “حصار مغناطیسی حلقوی” نامیده می شود. این زمانی اتفاق می افتد که پلاسما در دمای بالا در یک بطری مغناطیسی بسیار بزرگ به شکل دونات به دام می افتد.

برخلاف شکافت، این مسیر فناوری برای رسیدن به شرایط همجوشی و یک میدان محصور قوی نیاز به گرمایش خارجی مداوم دارد و اگر هر کدام را خاتمه دهید، واکنش متوقف می‌شود.

چالش اینجا انحلال کنترل نشده نیست، بلکه اصلاً هیچ واکنشی نیست.

چالش اصلی حل نشده برای “همجوشی حلقوی محصور مغناطیسی” که اکثر تحقیقات را به خود جلب می کند، نشان دادن پلاسمای سوزاننده خود گرم شده است. این زمانی اتفاق می افتد که انرژی گرمایی تولید شده توسط واکنش اولیه خود تولید شود. این هدف پروژه چندملیتی ITER با بودجه دولت، بزرگترین آزمایش همجوشی جهان، و همچنین آزمایش SPARC با بودجه خصوصی است که در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در حال انجام است.

با این حال، اجماع بسیاری از اعضای جامعه علمی این است که «همجوشی هسته‌ای» حداقل تا سال 2050 از نظر تجاری قابل دوام نخواهد بود.

راه حلی برای تغییر اقلیم؟

متیو هال می گوید: «اغلب از من می پرسند که آیا انرژی هسته ای می تواند زمین را از تغییرات آب و هوایی نجات دهد یا خیر. من همکاران زیادی در علم آب و هوا دارم و همسر مرحومم در واقع یک دانشمند برجسته آب و هوا بود.

علم روشن است که برای متوقف کردن تغییرات آب و هوایی خیلی دیر شده است. جهان باید تمام تلاش خود را برای کاهش انتشار دی اکسید کربن و کاهش آسیب های فاجعه بار ناشی از آن انجام دهد و باید این کار را چند دهه پیش انجام می داد.

برای سیاره ما، “شکاف” بخشی از یک راه حل جهانی، همراه با توسعه در مقیاس بزرگ و پذیرش منابع انرژی تجدید پذیر مانند باد و خورشید است.

در مقیاس زمانی طولانی‌تر، امید است که «همجوشی» جایگزین «شکافت» شود، زیرا سوخت آن فراوان‌تر و در دسترس‌تر است و مشکل ضایعات آن از نظر اندازه و مقیاس زمانی بسیار کوچک‌تر است. علاوه بر این، نمی توان از این فناوری به عنوان یک سلاح استفاده کرد.